大型有軌鍛造操作機行走機構設計

衛凌云，張營杰，牛 勇，馮東曉，杜學斌

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032）

0 前言

為適應大型自由鍛造壓機快速發展的需要，與之配套的鍛造操作機出現了重載大噸位、高精度、自動化的發展趨勢，因此，必須設計新的結構形式、采用先進的控制方式以實現設備高性能可靠運行。

大型有軌鍛造操作機具有大車行走、鉗口夾持、鉗頭回轉、鉗桿升降傾斜及垂直、水平緩沖等功能。行走功能是其關鍵功能之一，其結構優劣決定著設備運行的穩定性和控制的精確性，其性能直接影響著鍛造生產效率和鍛件質量。

1 行走機構的結構及特點

行走機構主要由車體、驅動裝置、行走輪組、行走軌道及行程控制系統等組成，其結構如圖1 所示。車體采用焊接組合結構。左右兩側墻板與連接體為焊接結構，帶連接體的左右墻板通過鍵和螺栓與中間連接機構組成車體框架。

圖1 行走機構結構圖

一般采用液壓馬達做動力源的液壓驅動裝置，并根據操作機運動質量要求設計不同數量的驅動輪組。驅動裝置安裝在車體底部，按照設計要求左右成組對稱安裝。驅動輪為銷齒輪，與銷軸齒條嚙合帶動大車行走，克服了普通鏈條因連接容易松動、啟停時晃動等引起的運動不平穩、控制精度低等缺陷。銷齒輪上安裝有光電編碼器對齒輪運動進行實時檢測，為行走精度控制提供依據。

大車車輪在軌道上行走，對運動車體起支撐作用，并不對設備提供驅動力。帶有凸緣設計的車輪與軌道配合，保證了操作機車體運行中與壓機的對中性。

該行走機構具有如下特點：采用了液壓馬達驅動方式，不需要增加額外的變速器，只需液壓控制系統調節輸入液壓馬達的流量即可改變其行走速度，實現無級變速；車體行走驅動裝置采用銷齒輪與齒條嚙合，可實現無齒隙傳動，減小了沖擊，運行平穩且控制精度高；在軌道上行走車輪的帶凸緣設計，確保操作機車體運行中與壓機的對中性，實現快速平穩運行。

2 行走機構的設計

2.1 總驅動力的計算

操作機及鍛件的綜合質量是計算驅動力的主要參數，結合設計運動加速度計算出驅動力。

計算時首先根據接觸應力確定支撐輪的直徑與數量，以此為基礎，確定銷齒輪的節圓直徑，計算出驅動力矩，進而確定驅動輪組的數量和能力，并進行輪組轉速和馬達輸出轉速的校核。

操作機開始運動過程中車輪的受力主要有：操作機及鍛件的綜合質量引起的車輪支撐力和車輪與軌道的摩擦力、產生加速度所需要的驅動力。圖2 為行走輪在運行時的受力分析簡圖。

以下計算行走輪系在開始運行時所需要的總驅動力：

圖2 行走輪受力分析簡圖

式中：F驅——行走輪運行時所需要的驅動力，N；

f——行走輪運行時的摩擦力，N。f=Gμ；

m——操作機及鍛件的綜合質量，kg；

a——操作機行走時的加速度，a 取1.5～2m/s2；

G——操作機及鍛件的綜合重力，N；

μ——行走輪與軌道之間的摩擦系數，滾動摩擦系數μ 取0.001。

2.2 總驅動力矩的計算

驅動力矩是馬達選型的依據，根據驅動輪的數量確定馬達的扭矩。

式中：M驅——總驅動力矩，Nm；

R輪——行走輪半徑，m；

K——計算系數，K 取1.2。

2.3 每個馬達的驅動扭矩

式中：M馬達——每個馬達的驅動扭矩，Nm；

n——驅動輪數量。

2.4 銷齒傳動的幾何計算

2.4.1 銷齒直徑的確定

式中：dp——銷齒直徑，mm；

[σH]——材料許用接觸應力，kg/cm2；

If——每個驅動輪所要傳達的扭矩，Nm；

ψ——齒輪寬度系數。

2.4.2 銷齒齒距的確定

在設計時一般取dp/P=0.4～0.5，可以計算出銷齒齒距：

2.4.3 確定齒輪節圓直徑、齒輪齒數

根據操作機最大行走速度及最快工作轉速可以計算齒輪節圓直徑：

式中：d輪——齒輪節圓直徑，mm；

vmax——最大行走速度，m/min；

nmax——最快工作轉速，r/min。

齒輪齒數的計算按下式計算：

通過上式計算出齒輪齒數后進行圓整，取為整數，重新計算齒輪節圓直徑。

2.5 銷齒傳動的強度計算

2.5.1 接觸強度校核

齒輪的接觸強度根據上式校核，滿足上式設計滿足要求，否則需要重新設計。

2.5.2 彎曲強度校核

2.5.2.1 齒輪驗算

式中：σF1——輪齒計算彎曲應力，kg/mm2；

b——齒輪寬度，mm；

P——銷齒齒距或齒輪節距，mm；

[σF1]——材料許用彎曲應力，kg/mm2。

2.5.2.2 銷齒驗算

式中：σF2——銷齒計算彎曲應力，kg/mm2；

b——齒輪寬度，mm；

L——夾板間距，mm；

[σF2]——材料許用彎曲應力，kg/mm2。

2.5.3 夾板擠壓強度校核

式中：σpr——夾板擠壓強度，kg/mm2；

δ——銷輪夾板厚度，mm；

L——夾板間距，mm；

[σpr]——材料許用擠壓應力，kg/mm2。

3 行走機構液壓控制系統

3.1 操作機行走機構的性能特點

操作機的行走一般通過液壓馬達驅動銷齒輪在銷軸齒條上運動實現。根據自由鍛造工藝的特性，要求操作機行走具有以下特點：①液壓馬達可以正反轉，以實現大車的前進與后退；②液壓馬達轉速可以無級調節，以適應不同鍛造工藝要求；③液壓馬達快速啟動與精確制動，實現操作機的精確送進與平穩運行；④系統具有過載保護功能，避免造成設備損壞。

3.2 行走機構液壓控制系統設計

本控制方案采用恒壓比例控制系統。由恒壓泵與蓄能器組成恒壓油源，采用比例方向閥進行控制。可以滿足操作機的正反向行走，并實現速度無級調節。保證啟動時馬達快速上壓、迅速運動；停止時通過調整比例閥關閉曲線，保證操作機精確停止、減少沖擊和振動。在操作機制動過程或因外力引起車體移動時，蓄能器和溢流閥共同作用吸收壓力沖擊防止系統過載，充液單向閥可防止馬達吸空，確保設備正常運行。中間隔離閥有效地解決了比例閥中位泄露的問題，確保操作機可靠定位。圖3 為行走機構液壓控制系統原理圖。

圖3 行走機構液壓控制原理圖

3.3 行走無隙傳動系統的提出及控制原理

鍛造操作機行走時通過液壓馬達驅動的銷齒輪與銷軸齒條嚙合實現往復運動，在換向時銷齒輪與銷軸存在嚙合間隙，容易產生換向沖擊，并出現位置測量誤差，進而影響操作機運行的平穩性和位置控制精度。對大型操作機而言，因其較大的運動質量產生巨大的慣性力，停止時沖擊大，制動距離長，位置控制精度低，嚴重時會影響鍛造生產的正常進行，鍛件質量也難以保證。

針對上述問題，為提高操作機行走位置控制精度提出了行走無隙傳動系統，如圖4 所示。

圖4 行走無隙傳動系統

行走無隙傳動系統包括行走軌道、前銷齒輪、后銷齒輪、安裝在銷齒輪上的液壓馬達和檢測用光電編碼器等組成。由光電編碼器采集到的信號，通過計算機處理反饋到液壓比例控制系統，控制操作機行走動作。操作機兩組驅動裝置工作時機聯合又獨立，一個運動方向設定一個主驅動輪，相對的為從驅動輪；反向運動時主、從功能相互交換。根據系統設定，啟動時兩組驅動輪同向驅動。

4 應用實例及驗證

該行走機構已成功應用于多臺套系列規格的新型有軌鍛造操作機，動作迅速、運行平穩、定位精確，性能可靠，極大地提高了鍛造操作機的設備性能。

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